【科普】雷达料位计的基本工作原理

雷达料位计主要由发射和接收装置、信号处理器、操作面板、显示器、天线、故障报警装置等 6部分组成。

雷达料位计利用雷达波的特性来检测料位，其基本工作原理为发射—反射—接收。雷达料位计的天线以波束的形式发射雷达波，雷达波经筒仓内物料面反射后由雷达接收单元接收。通过测量雷达波发射到接收的间隔时间（即时延）就可测得仓内料位高度，且料位与时延呈负相关，计算公式为h=H- vt /2（1）

式中：h为料位高度；H为筒仓高度；v为雷达波速度；t为时延。

雷达波是一种特殊形式的电磁波，其频率为300MHz~3000GHz。绝大多数雷达料位计使用的微波频率有3个波段，分别是C波段（5.8~6.3GHz）、X波段（9.0~10.5GHz）和K波段（24~26 GHz）。由于高频雷达波的波长较短，与液面波动幅度接近，易造成散射，导致测量精度下降，因此C波段的雷达波经常应用于雷达液位计；在测量固体物料时，由于固体物料表面存在安息角，并不是水平面，因此需要依靠雷达波在料位面上的漫反射来测量料位，而C波段的雷达波波长约为52mm，无法在测量有安息角的毫米级颗粒的料位时形成漫反射，因此主流雷达料位计产品采用K波段26GHz频率。近年来，78GHz、80GHz等高频微波也逐渐开始应用，这使更加细小的颗粒甚至粉末状颗粒料位的测量成为可能。

雷达波的物理特性类似于可见光，以光速传播，可穿透空间中的蒸汽、粉尘等干扰源，遇到障碍物易被反射，被测介质的电导率或电容率越大，回波信号的反射效果就越好。雷达波的频率越高，发射角度越小，能量（磁通量或场强）越大，波的衰减越小，雷达料位计的测量效果越好。

目前，微波雷达料位计所使用的雷达波波形主要分2种：一种是脉冲波，另一种是调频连续波。目前市面上也出现了将两者结合起来的调频脉冲波方式，脉冲波的载波是连续调频的，回波也是通过频差的方式来测量距离。

脉冲波可分为无调制和经高频调制2种波形。脉冲雷达利用一种基于脉冲飞行时间的电磁波测量方法测量料位。脉冲波雷达的测量原理比较简单，即雷达向目标发射高频脉冲波，遇到物面后反射回来，测得发送时间与接收时间之间的间隔时间，从而求得距离。但当脉冲雷达应用于近距离的料位测量时，由于脉冲波的往返时间太短，直接测量时延精度误差相对较大。

在现代脉冲雷达中，多数发射的是调频连续波，这有利于保证信号质量，在提供较远的非模糊测量距离的同时降低系统的平均功率。调频连续波雷达的原理是通过发送具有一定带宽、频率线性变化的连续信号，再对接收到的连续信号进行快速傅里叶变换，通过发送与接收信号的频差计算2个信号的时间差，得到相对应的距离。

调频连续波雷达主要由调制信号发生器、压控振荡器（VCO）、雷达天线、混频器、信号处理器等部分组成。当调频连续波雷达工作时，调制信号发生器产生调制信号激励VCO产生一定范围的高频雷达信号，典型的调制信号有锯齿波信号和三角波信号。VCO产生跟随调制信号规律变化的调频连续波信号，经过分离器分为2路后，一路信号通过雷达天线发射端发射到物料面，另一路信号经过缓冲区后与天线接收的物料面反射回来的回波信号进行混频。

由于接收信号时间延时，同一时刻的发射信号与回波信号存在固定的频率或相位差异，而混频后输出的信号则包含了物料的特征信息，此混频信号称为差拍信号，通常此差拍信号包含很强的频率泄漏及干扰信号，需要先滤波、放大预处理后再进行数字信号处理，提取相关目标信息。调频连续波雷达抗干扰能力更强，测量距离更远，同时成本也更高。